陳端毓

哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

2013年在德國漢諾威工業(yè)博覽會上，“工業(yè)4.0”的概念被提出來[1]，我國也廣泛關注、討論?！肮I(yè)”——點明是關于制造業(yè)的討論；“4.0”——點明是第四次工業(yè)革命?！?.0”不僅是技術傳承更是技術跨越，提醒要從技術革命的角度認識和理解。

1 工業(yè)4.0提出背景和意義

制造業(yè)是一個國家的戰(zhàn)略性的產業(yè)，國家安全的重要基石。制造業(yè)在德語區(qū)一直是最重要的經濟支柱。德國在汽車行業(yè)、醫(yī)療技術、飛機制造等產業(yè)，一直處于領先地位，這也是為什么“工業(yè)4.0”由德國率先提出。另外，眾多大型產品的研發(fā)和制造復雜性增加，傳統的方法和手段不足以高效完成任務。在這樣的背景下，只有加快工業(yè)化、信息化融合，才能應對挑戰(zhàn)。因為各方面對傳統制造業(yè)提出的挑戰(zhàn)，工業(yè)4.0應運而生。近年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，但相比于先進國家制造業(yè)，自主創(chuàng)新能力、信息化程度和質量效益方面，差距明顯。工業(yè)4.0概念雖然在德國提出，對工業(yè)4.0的深度的解讀和認識，能幫助我們認識國內制造業(yè)，清晰發(fā)展方向、明確發(fā)展規(guī)劃，意義重大。

2 工業(yè)4.0關鍵詞

2.1 信息物理融合系統——工業(yè)4.0的靈魂

信息物理融合系統（Cyber Physical System, CPS）的概念是2006由美國率先提出的，在工業(yè)4.0中被高度定位，成為了“工業(yè)4.0的靈魂”。信息物理融合系統構建一個計算、網絡和物理環(huán)境的多維系統，實現實時感知、動態(tài)控制和信息服務。工業(yè)4.0要實現高度自動化和智能化，首要實現設備的智能化，即設備或系統是高度信息物理融合系統[2]。

典型的CPS系統包含傳感器、執(zhí)行器和分布式控制器。傳感器是智能設備“眼睛”和“耳朵”，負責各種信號的收集；控制器是智能設備的“大腦”，負責根據各種信息做出合理的判斷生成執(zhí)行命令；執(zhí)行器是設備的“手和腳”，負責執(zhí)行命令。

制造執(zhí)行系統（MES）就是CPS理論在制造工廠的具體應用。MES系統具有實時性、可靠性和安全性的特點，能夠對車間的人員、設備、物料、制度、環(huán)境等進行有效的匹配的數據管理，能追蹤加工過程，做到加工過程的可視化，這些都是系統高度復雜性體現。MES系統提供與企業(yè)資源管理（ERP）和物料資源管理（MRP）等接口是系統開放性和多維性的具體體現。MES系統對計劃變更，生產調整的快速響應是系統智能控制的體現[3]。

圖1 在產品生命周期中信息系統和物理系統的融合

圖1 從產品生產過程的軟件應用角度理解信息物理融合系統方式。產品生產過程是物理系統；數字技術和系統是相對應的信息系統。信息物理系統融合就是指在產品生產每個環(huán)節(jié)物理系統都有與之對應、高效融合信息系統。產品設計階段，數字技術CAD、CAE、MBD等輔助完成產品設計和仿真工作；在工藝階段，有CAM、CAPP、MPM等數字手段輔助完成工藝規(guī)程、刀具選用、工裝設計；在產品制造環(huán)節(jié)，有APS、ERP、MES、DNC等數字化技術輔助完成生產排產、資源管理、制造作業(yè)指導、質量管理；在生產支持環(huán)節(jié)，同樣是通過ERP、MES、DNC保證產品生產支持環(huán)節(jié)任務順利完成。信息系統各環(huán)節(jié)之間基于統一數字化平臺、統一的工作流數據庫，各環(huán)節(jié)之間數據無障礙交換。信息物理融合系統提供了信息化與工業(yè)化深度融合的理論基礎，是工業(yè)4.0靈魂。

2.2 產品生命周期管理——工業(yè)4.0的核心

產品生命周期管理（Product life-cycle management, PLM）是指管理產品從需求、規(guī)劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養(yǎng)全生命周期中的信息與過程。產品生命周期管是一門綜合性技術，將產品從創(chuàng)建、使用，直到最終報廢，全生命周期的產品數據信息進行管理。產品生命周期管理縱向上反映產品生產從設計到質保的流程，橫向上反映從銷售市場到產品的交付的流程（圖2）。產品生命周期管理的概念提出和發(fā)展，恰恰是制造業(yè)信息化、自動化、智能化發(fā)展的過程和必然結果。

傳統制造業(yè)和計算機技術的第一次融合重要標志是CAD系統的廣泛應用；在CAD系統不斷豐富和進步的基礎上，輔助設計的CAE軟件、輔助制造CAM軟件得到發(fā)展和應用。隨后和管理相適應的MES和ERP等概念被提出、研究，并且在不少企業(yè)也得到應用；再進一步，把涉及制造的整個過程數據信息都管理，并且實現數據在各個環(huán)節(jié)的流通。所以說產品生命周期管理就是系統級的制造企業(yè)深度的信息化、數字化，是工業(yè)4.0的核心。產品生命周期管理提供了信息化與工業(yè)化深度融合的努力方向，是工業(yè)4.0核心。

圖2 產品開發(fā)和客戶訂閱流程圖

2.3 工業(yè)軟件——工業(yè)4.0的手段

工業(yè)軟件是產品生命周期管理和信息物理系統融合的實現手段?！豆I(yè)4.0即將來襲的第四次工業(yè)革命》一書中強調最多的就是工業(yè)軟件，軟件是工業(yè)的未來。從最初的產品設計理念到生產和物流，再到運行和維護，軟件是實現數字化制造的手段，是數據的載體和數據處理的工具。軟件在生產的各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著不可替代的作用，貫穿產品設計、生產規(guī)劃、生產實施、產品服務各個階段。產品設計階段，CAD軟件可以輔助建模，CAE軟件完成產品應力、應變分析，三維裝配仿真等，節(jié)約了產品設計成本；生產規(guī)劃階段，軟件能夠幫助生成生產計劃、快速編制工藝文件；在生產實施階段，軟件完成生產追蹤、指導現場任務……軟件和信息技術已成為工業(yè)中最重要的增長動力，目前軟件被越來越重視，投入也越來越大，并且制造業(yè)越發(fā)達的國家，對軟件的投入越大。信息物理融合系統的實施、產品生命周期管理都離不開軟件，沒有軟件的支持和發(fā)展無法實現信息化和工業(yè)化的深度融合，所以說軟件是實現工業(yè)4.0的手段。

3 工業(yè)4.0實現路徑：由MBD走向MBE

基于模型的產品定義（MBD）技術使用幾何模型、尺寸和形位公差標注，屬性注釋等產品制造信息的單一主模型來完整表達產品定義，并作為制造過程中唯一有效數據，實現各流程的高度集成。MBD技術價值體現在復雜產品的設計和制造上，復雜程度越高，使用MBD技術優(yōu)勢越明顯。隨著MBD技術逐步深入應用，其技術價值和意義被廣泛認同。隨著MBD技術發(fā)展和應用，基于模型的企業(yè)（MBE）得以構建。這也是美國“下一代制造技術計劃”中重要內容：建設基于模型的企業(yè)。傳統企業(yè)采用MBD技術對設計和制造的全部流程進行徹底的改造；利用產品和過程模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過程，從根本上減少產品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時間和成本。行業(yè)內將MBE能力水平劃分為6個檔次，形成MBE能力矩陣（圖3）。MBE主要由基于模型的工程、基于模型的制造和基于模型的維護三大部分組成，并且在統一的系統工程的指導下形成有機的整體。從具體業(yè)務看，基于模型的企業(yè)又被細化為不同環(huán)節(jié)：基于模型的系統工程、基于模型的三維產品設計、基于模型的設計分析、基于模型的驗證管理，基于模型的全生命周期質量管理、基于模型的零件工藝、基于模型的裝配工藝、基于模型的質量檢驗、基于模型的作業(yè)指導書、基于模型的制造執(zhí)行管理、基于模型的數字化服務管理等。將各個環(huán)節(jié)攻克，最終建成基于模型的企業(yè)，實現工業(yè)4.0。

圖3 MBE能力矩陣

4 結語

工業(yè)4.0描繪了制造業(yè)未來的愿景，在工業(yè)化和信息化深度融合道路上，信息物理融合系統提供了理論基礎，是工業(yè)4.0靈魂；生命周期管理提供了發(fā)展方向，是工業(yè)4.0的核心；軟件提供了實現生命周期管理的基礎，是工業(yè)4.0得以實現的手段，通過攻克基于模型的產品定義技術，建設基于模型的企業(yè)，最終實現工業(yè)4.0[4]。